Il metodo scientifico

La Fisica è una scienza grazie a Galileo che a suo fondamento pose il
metodo scientifico
Il metodo scientifico
• La Natura è complessa: non basta osservarla per capirla
• Intuizione di Galileo: bisogna porre alla Natura delle domande mirate.
Bisogna realizzare degli esperimenti.
Esempio:
la caduta dei gravi.
In aria una pietra arriva a terra prima di un foglio di carta. I
corpi più pesanti cadono più rapidamente di quelli leggeri?
(Ma la carta appallottolata cade più velocemente!)
Oggi sappiamo che la caduta dipende da:
• attrazione gravitazionale della terra;
• resistenza dell’aria.
Se facciamo cadere i 2 oggetti in un contenitore dove
abbiamo creato il vuoto, li vedremo arrivare a terra
assieme. Per quanto riguarda l’effetto di attrazione
terrestre i corpi cadono nello stesso modo (si potrebbe poi
investigare l’effetto dell’aria…)
• Gli esperimenti vanno realizzati (ideati, condotti e i risultati analizzati)
schematizzando i processi della Natura attraverso la costruzione di
modelli (= rappresentazioni mentali in termini di schemi familiarianalogie)
Esempio: modello dell’atomo come insieme dove gli elettroni girano
attorno al nucleo dell’atomo come i pianeti attorno al sole
Gli esperimenti si realizzano attraverso le misurazioni di grandezze
fisiche (vd.dopo).
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LE MISURE
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• La Fisica è quindi una scienza sperimentale
• I risultati degli esperimenti vengono interpretati per giungere a
formulare una Teoria
• La Fisica adotta il linguaggio della Matematica (le leggi della Fisica
sono espresse come relazioni matematiche tra le grandezze fisiche)
Grandezze fisiche e
loro misurazione
Def. Misurazione = procedimento che associa un numero (misura) a una
grandezza fisica. Associa anche la sua attendibilità
(errore)
La misurazione consiste nel determinare il rapporto tra la grandezza da
misurare e un’altra ad essa omogenea scelta (arbitrariamente) come unità
di misura
Esempio: la misurazione della lunghezza (che è una grandezza fisica)
di un oggetto viene realizzata per confronto con la lunghezza
di un regolo campione (il metro) o di un suo multiplo.
I procedimenti utilizzati nella misurazione devono far sì che il numero (la
misura della grandezza) sia ottenuto in modo non ambiguo e riproducibile.
Le grandezze fisiche sono definite in modo operativo:
Il modo di misurare una grandezza fisica ne fissa la definizione
Esempio: Il tempo è quella grandezza fisica che si misura con l’orologio
Poiché le grandezze fisiche non sono tutte indipendenti, se ne scelgono
alcune come fondamentali (es. lunghezza e tempo) e le altre si derivano
da queste (es.velocità)
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Il Sistema Internazionale delle unità di
misura
La scelta delle grandezze fondamentali (e delle rispettive unità) dà
origine a un sistema di unità di misura. Ne esistono diversi.
Quello più diffuso è il Sistema Internazionale (SI) che adotta come
unità fondamentali
Sono 7 grandezze
fondamentali (con 7
unità fondamentali).
Per la meccanica e
l’elettromagnetismo ne
bastano 4 (quelle
sottolineate)
Alcune grandezze derivate
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La descrizione degli eventi fisici richiede la specificazione di quando e dove
avvengono. Lunghezza e tempo sono quindi grandezze particolarmente
importanti e sono tradizionalmente assunte come fondamentali.
Tempo
Def: tempo = la grandezza fisica che
viene misurata con l’orologio
(orologio=dispositivo che sfrutta un
fenomeno periodico).
Quale orologio usare per definire l’unità
di tempo?
Per secoli si sono usati fenomeni
astronomici.
Oggi si usa un orologio atomico basato
su una frequenza caratteristica di
transizione iperfine dell’atomo di 133Cs
(Precisione:10-13)
Def: un secondo = tempo necessario alla luce (di una specifica lunghezza
d’onda) emessa da un atomo di 133Cs per effettuare 9 129 631 770
vibrazioni
Come è migliorata la misura di tempo
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Lunghezza
Le misure di lunghezza si realizzano tipicamente con un regolo.
La definizione di unità di lunghezza attuale (dal 1983) poggia sul fatto
sperimentale che la velocità dalla luce nel vuoto è una costante della
Natura. Si definisce:
Def: il metro = distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo
(La precisione è circa 10-10)
temporale di 1/299 792 458 s
Questo numero è stato scelto in modo che il valore della velocità della
luce fosse esattamente = 299 792 458 m/s
Massa
È la terza grandezza fondamentale del S.I. di misura
Def: la massa = grandezza fisica che viene misurata
con la bilancia a 2 bracci. La misura si fa per
confronto col campione di massa (di 1 kg)
Il campione è un cilindro di
platino-iridio conservato vicino
a Parigi.
L’evoluzione della definizione
di campione di massa è stata
inferiore rispetto a quella di
lunghezza e tempo.
La precisione è circa 10-8
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Importanza del corretto uso delle unità di misura
1 yd = 0,9144 m
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La notazione scientifica
I numeri vengono espressi utilizzando le potenze di dieci.
Es:
300 000 m
si scrive
0,0492 s
si scrive
3 · 105 m
4,92 · 10-2 s
Vantaggi della notazione scientifica:
• è formalmente compatta;
• è immediatamente evidente l’ordine di grandezza;
• è immediatamente evidente la precisione con cui è noto il valore numerico
Def: ordine di grandezza = potenza di dieci quando il
numero viene espresso in notazione scientifica.
Es: per 3 · 105 l’ordine di grandezza è 5
(a volte si dice che è 105 )
per 4,92 · 10-2 l’ordine di grandezza è -2
(a volte si dice che è 10-2 )
L’incertezza di una misura è espressa dal suo errore.
Es:
l = (3,5 ± 0,1)m
Errore (può essere dovuto a errori di
misurazione o alla natura stocastica
della grandezza misurata)
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L’errore influenza il numero di cifre significative da riportare
Es:
(4,5397 ± 0,21) ⋅ 103 è una scrittura non corretta. Infatti già 3 può
variare
Va scritto
(4,54 ± 0,21) ⋅ 103
N.B. approssimazione
Es: cifre significative
x = 3m
x = 0,03m
1 cifra significativa
x = 3,0m
x = 0,030m
2 cifre significative
x = 30m
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?
se 3 · 101
se 3,0 · 101
se 3,000 · 101
allora 1 cifra
allora 2 cifre
allora 4 cifre
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Prefissi delle unità di misura
M
U
L
T
I
P
L
I
S
O
T
T
O
M
U
L
T
I
P
L
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